第３７卷第１期 长春工业大学学报 Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．１ ２０１６年Ｏ２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｆｅｂ．２０１６ ＤＯＩ：１０．１５９２３／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ２２—１３８２／ｔ．２０１６．１．１７ 基于ＡＤＡＭＳ槽轮机构动力学仿真 宋国亚 ， 王 晖 ， 赵俊鹏 ， 常笑鹏 （１．长春工业大学机电工程学院，吉林长春１３００１２； ２．长春工业大学应用技术学院，吉林长春 １３００１２） 摘要：首先对常规槽轮机构的运动特性进行理论和仿真分析，在此基础上建立了具有大转 停比槽轮机构的三维模型，并对其运动过程进行动力学分析，结合ＡＤＡＭＳ对大转停比槽轮 机构进行应力和运动仿真分析。 关键词：槽轮机构；转停比；ＡＤＡＭＳ仿真计算 中图分类号：ＴＨ １１２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—１３７４（２０１６）Ｏ１—００８３—０７ ＡＤＡＭＳ ｂａｓｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｇｅｎｅｖａ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ ＳＯＮＧ Ｇｕｏｙａ ， ＷＡＮＧ Ｈｕｉｈ， ＺＨＡＯ Ｊｕｎｐｅｎｇ ， ＣＨＡＮＧ Ｘｉａｏｐｅｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｏｆｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｅｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｒｓｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｇｅｎｅｖａ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇｅｎｅｖａ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ ｂｉｇ ｔｕｒｎ／ｓｔｏｐ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ＡＤＡＭＳ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｅｎｅｖａ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｒａｔｉｏ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｕｒｎ ａｎｄ ｓｔｏｐ；ＡＤＡＭＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ． ０ 引 言 设备，然而目前的安瓿针剂自动上料设备由于其 关键传动件槽轮机构无法实现大的转停比，国内 随着我国经济的迅猛发展，在过去的２０年 外一些学者对槽轮机构进行了相关研究。 里，我国医药产业市场呈现了高速发展和扩张的 文献ＥＩＪ研究了槽轮机构存在的一系列固有 态势，对于医药制品，全球的市场需求量平均每年 缺陷，比如其动程不可调节，转角也不能太小。文 增长率在ｌＯ 以上，远远高于ＧＤＰ的增长速度。 献Ｅ２］指出了槽轮机构在起、停时的加速度大，有 众所周知，在众多的医药制品中，用安瓿针剂瓶包 冲击，并随着转速的增加或槽轮槽数的减少而加 装的药用针剂占据了很大的比例，安瓿针剂自动 剧问题。为了克服槽轮机构这种结构缺陷，文献 上料设备是制药企业实现产品自动化生产的关键 ［３３提出了一种改进措施，其通过与其他机构，如 收稿日期：２０１５－１２－１０ 作者简介：宋国亚（１９８９一），男，汉族，河南鹿邑人，长春工业大学硕士研究生，主要从事机电一体化综合技术方向研究，Ｅ—ｍａｉｌ： ８１２１９７２９６＠ｑｑ．ｃｏｍ．＊通讯作者：王晖（１９７Ｏ一），女，汉族，吉林长春人，长春工业大学副教授，主要从事机电一体化 综合技术方向研究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｈｕｉ＠ｃｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． ８４ 长春工业大学学报 第３７卷 连杆、凸轮、齿轮机构组合来改善槽轮机构的动力 特性。组合机构虽然在不同程度上改善了槽轮机 力变化曲线，ＡＤＡＭＳ软件可用于评测机械系统 的性能、运动的范围、检测碰撞力度、峰值载荷量 构的动力特性，但由于组合机构的结构较为复杂， 因而增加了设计的难度。由于构件数目的增多， 机构占用的空间也有所增大，同时也增大了积累 以及计算输入载荷等。 ２大转停比槽轮机构尺寸设计 槽轮机构如图１所示。 误差，从而影响了定位精度，因此其具体应用价值 较低。文献［４］对槽轮机构的结构进行了改进，将 直线导轨槽轮机构改成带有曲线弧度的导轨，以 减少运行时的冲击。文中针对目前常规的槽轮机 构不能实现大转停比这一情况，在研究了常见槽 轮机构的基础上设计了一种能够实现大转停比的 新型槽轮机构，并对其进行了动力学分析，以实现 安瓿针剂的自动上料。 １ 多体系统动力学和ＡＤＡＭＳ软件介绍 多体系统的动力学的分析和仿真是伴随着计 算机科学技术的发展而不断完善的。多体系统是 由多个物体在运动副连接下形成比较复杂的机械 系统。使用计算机强大的计算功能对较复杂的系 统进行动力学分析和仿真是多体系统动力学分析 的主要目的。在多体系统中对物体进行分析时可 以将系统中刚体的微变形量忽略不计，并可作为 刚体来处理，该类型的系统一般处于低速度运动 状态。而多柔性体系统是系统在行使动作过程中 会出现多物体在较大区域运动并与物体的弹性变 形发生耦合，所以需要将物体作为柔性体。通过 以上对多体系统的了解和认识，可知文中涉及到 的大转停比槽轮机构应属于多体系统的范围之 内。 对于多体系统进行运动和动力学分析需要借 助强大的动力学分析软件，目前，世界上使用范围 最广泛的通用多体动力学分析软件是美国ＭＤＩ 公司开发的机械系统的自动动力分析（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ，ＡＤ— ＡＭＳ）、ＬＭＳ—ＣＡＤＳＩ公司开发的动力学分析和 设计系统（Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓ— ｔｅｒｎ，ＤＡＤＳ）以及德国ＩＮＴＥＣ公司开发的ＳＩＭ— ＰＡＣＫ等Ｌ５。］。ＡＤＡＭＳ是当今世界上最具有权 威的多体动力学模拟样机模型软件，用户可以通 过完善的人机交互图形环境来创建物体的几何模 型，通过多体系统运动学和动力学理论中的拉格 朗日方法建立系统的动力学基本方程，可对虚拟 的系统进行静力、运动和动力分析，并输出系统中 运动零件的位移变化、速度和加速度曲线和作用 通过分析图１的外槽轮机构，当主动转盘１ 转动一周，从动槽轮２的转动所需时间ｔ 与主动 拨盘转一周的时间ｔ 之比称为槽轮机构的运动 系数，用是来表示，即： ｋ一 （１） 因为主动转盘一般为匀速回转，所以时间之 比可以通过拨盘转角的比来表示。通过图ｌ所示 的单圆销的槽轮机构，时间 。和 所对应的转 动角分别是２ 和２ ，标准的槽轮机构为了避免 刚性冲击，圆柱销从开始进入到脱离径向直槽的 瞬问，圆柱销线速度的方向与径向直槽中心线重 合，假设槽轮有 个均布槽，则２９ 一２兀／ ，将上 述关系代入式（１）中，得外槽轮机构的运动系数 志：＝：鲁一 一 一丢一 如在拨盘上等角度分布 个圆柱销，则当拨 盘等速转动一周的过程中，槽轮会被圆柱销拨动 ／／－次，故机构的运动系数是单圆柱销的扎倍。即 ｎ≤ （３） 又因ｋ值应小于或等于１，即 是一 （丢一÷） ㈩ 第１期 宋国亚，等：基于ＡＤＡＭＳ槽轮机构动力学仿真 ８５ 由式（４）可得到槽数与圆柱销的关系见表１。 表１槽数与圆柱销数量关系 根据对安瓿针剂自动给料设备翻盘机构中槽 轮机构转停时间的分析，确定了该槽轮机构为运 动系数Ｋ一１／１２的单销四槽均匀分布的外槽轮 机构，由于设计过程较为繁琐，设计过程没有一一 槽数 ３ 圆柱销数 ４ 列出，具体尺寸见表２。 ５、６ ≥７ 表２尺寸列表 ３槽轮机构接触动力学方程 ｆｇ≥０ ｌ Ｆ ＞０ 因为外槽轮机构中径向槽的型面属于直线 Ｆ ｇ一０ 型，根据齿轮啮合成形理论分析，槽轮径向槽的线 警一。 （５） 型不在共轭曲面范畴中，如果把槽轮机构中的从 动槽轮和主转动滚轮的接触看成一对互相啮合的 式中：ｇ——接触作用点的距离； 共轭曲面，这样可以将齿轮啮合原理应用到主动 Ｆ ——接触力的法向分力，一般可以通过 轮和从动槽轮的相互作用上，并通过啮合模型对 方向接触约束的惩罚函数求得。 其进行分析，用ｎ个广义坐标ｑ表示从动槽轮的 通过引入不穿透接触的单边约束来表示槽轮 运动，建立的动力学方程为Ｌ８］： 与拨轮之间接触的过程： ８６ 长春工业大学学报 第３７卷 Ｉｌ『 （口，ｔ）一０ Ｍ（口，ｔ）ｑ＋ （口，ｔ） —Ｑ（口，ｑ，ｔ）一０… ０ 式中：ｑ、ｑ、ｑ∈Ｒ”——分别表示动力系统的位 移、速度和加速度矢量； ∈Ｒ ——拉格朗日微分算子； ｔ∈Ｒ——时间阵； Ｍ∈Ｒ ”——系统的广义质量矩阵； 。∈Ｒ ——约束方程的雅克比阵； Ｑ∈Ｒ”——广义力的矩阵； ∈Ｒ ——位置约束方程。 当作用的两齿面彼此穿透时，通过函数的惩 罚因子将接触力表示成为惩罚量的状态函数，即 接触变形函数。 在槽轮动力学公式中引入接触约束条件后， 就得到含有接触的槽轮动力学方程： ｆＭｑ＋Ｋｑ＋Ｑ —Ｑ＋Ｆ （７） Ｉ （口，ｔ）一０ ４槽轮动态啮合接触计算模型 根据经典接触力学理论，可以将槽轮机构中 圆柱销与径向槽相互作用的法向接触力用弹簧阻 尼模型来等效。该模型的广义表达式为 ： Ｆ 一Ｋ３ ＋ｆ（ ） （８） 式中：Ｋ——啮合面齿廓的等效接触刚度； ——接触作用点的法向变形量； ——非线性弹性力幂指数， ≥１； Ｃ（ ）——啮合作用过程中的阻尼因素； ——作用齿廓面的法向形变速度。 根据赫兹接触的理论模型，可导出两物体接 触刚度的计算公式如下： Ｋ一 ３ Ｔ１ （９） ４ 式中：Ｒ＝：＝ ——两齿廓的表面在啮合作用 点的综合曲率半径； Ｋ一÷职专——曲柄、槽轮材料的综合弹性 模量； ——材料的泊松比。 两物体作用中的阻尼计算可采用兰卡拉尼和 尼克瓦斯的基于能量损耗提出的法向方向形变量 的非线性滞后阻尼模型： ｃ一 ”一 艿“ （１Ｏ） 式中：Ｃ——法向方向变形量的阻尼系数； ｅ——碰撞物体的恢复系数； ７３——齿面碰撞的速度； ｎ——非线性阻尼力幂指数。 在槽轮受力转动的过程中，曲柄和轮槽之间 是相对滑动的状态。所以，将接触力的切向分力 定义为库伦摩擦模型，表达式为： ｆＦ，一一 ｄＦ ｓｇｎ（ｖ） ． （１１） ｌ （ｑ，ｑ，ｔ）≠０ 式中：Ｆ，——啮合作用点的滑动摩擦力； ——动摩擦因数； （ｑ，ｑ，ｔ）——啮合作用点之间的相对滑移 速度。 ５ ＡＤＡＭＳ模型建立流程 通过上述对槽轮机构接触过程中的状态分 析，需要建立其啮合时候的碰撞模型、圆柱销与槽 轮接触时的接触模型，以及两者之间由于存在摩 擦而建立的库仑摩擦模型，通过ＡＤＡＭＳ软件， 根据上述需要去设置模型并加载模型中的各个参 数，就可以简单方便地建立起整个过程中所需要 的任何模型，节省了科研人员大量的时间和精力。 在ＡＤＡＭＳ中建立槽轮刚体模型所需要的 参数主要包括：主动拨盘和从动槽轮的外形结构 尺寸、弹性模量、材料属性、碰撞系数、连接副、拨 轮初始速度、接触中滑动摩擦系数等。通过上述 对槽轮机构几何尺寸的设计和对其整个运动过程 中动力学模型和接触计算模型的分析，仿真所需 的参数数值都已经确定并输入到了ＡＤＡＭＳ软 件中。 首先，通过ＡＤＡＭＳ菜单栏中的Ｓｅｔｔｉｎｇ将 建模坐标系设置为笛卡尔坐标系，单位制设置为 ＭＫＳ模式，并将工作栅格的尺寸调成１０ ｍｍ× １０ ｍｉｔｔ的规格，重力加速度设置成９．８ Ｎ／ｋｇ。 然后，通过ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ操作模块中Ｍａ— ｉｎｔｏｏｌｓ中的几何建模功能按照设计好的槽轮机 构的尺寸建立模型，并通过调色功能将拨轮的颜 色设置为红色，槽轮的颜色设置为粉色，建立好的 模型如图２所示。 第１期 宋国亚，等：基于ＡＤＡＭＳ槽轮机构动力学仿真 ８９ 加速度最大值为２．３。／ｓ；通过图１２可以看到槽轮 的角速度变化情况，３６．０ ｓ，拨销与槽轮开始接 触，３７．５ Ｓ时第３周期与第２周期基本相同，得出 两者作用过程中最大角速度值为１４．２。／ｓ；图１３ 显示了在槽轮机构传动过程中，拨销对径向槽的 正压力的变化，通过对比后两个周期的峰值可知， ３７．５ Ｓ时拨销对槽轮的正压力出现峰值，数值为 ４ ８３０ Ｎ。将模拟仿真的数据与计算的理论数据 进行对比后得知，理论计算的槽轮的角加速度和 角速度分别为２．７４。／ｓ和１６．７。／ｓ，均大于模拟仿 真的数据，通过分析可知，理论计算没有考虑拨轮 和径向槽之间的摩擦因素，在ＡＤＡＭＳ仿真中建 立了其接触的库仑力模型，使分析的结果更接近 于实际；对比正压力的数值可知，理论计算的正压 力５ １２０ Ｎ大于仿真得到的正压力４ ８３０ Ｎ，通过 分析可知，理论计算中将系统等效在槽轮上的惯 性力Ｍ 值估计的太大，导致了理论值偏大。 ＼ ＼ Ｅ Ｏ 时间／Ｓ 图１１角加速度 … ＿ＭＡＲＫＥＲ＿Ｉ７ＭＥＡ＿Ｉ１Ｑ 、专… ｌ ～、 …、？ ’ …ｉ… ¨ ＼ …０ 一１ ｛ ： 。 ：： ：＼ 世 业ｉ一｝ ． ．～ｉ…■ Ｉ… … … ｉ一 ～ ≮≤熏－ｌ￣ ＂－一Ｅ］ 囊… ≤ … … ．． … … ０～｜…｜…ｉ ：。 ： －’～ ： ≥ ０ ～ ：； ： ｉ ； ； ｊ ０ ｌ０．０ ２０．０ ３０．０ ４０．０ ５０．０ ６０．０ ７０．０ ８０．０ 时间／Ｓ 图１２角速度 Ｚ 、 幽 时问／Ｓ 图ｌ３正压力 ７ 结 语 针对安瓿针剂自动上料机中主要的执行元件 ——槽轮机构进行分析，通过落料的时间和针剂 盒翻转所用的时间来确定该槽轮机构的运动系 数，设计出该机构的结构尺寸并在三维软件中建 模，通过ＡＤＡＭＳ软件来模拟其运动过程，将运 动过程图与理论运动对比，运动中受力情况基本 一致，最后通过仿真得出了相关参数量的数据，并 对数据进行了分析。提出的具有大转停比的槽轮 机构设计方法为以后对槽轮机构的优化提供了参 考依据。 参考文献： ［１］张磊，詹磊．一种新型槽轮机构的设计与研究［Ｊ］．机 械传动，２００７，３１（６）：３６—３９． Ｅａ］刘辰．外槽轮机构设计分析［Ｊ］．机电工程技术， ２００９，３８（２）：６１－６３． Ｅ３］杨兴海．凸轮一槽轮组合机构及其设ｒＪ］．三峡大学学 报：自然科学版，２０００，２２（１）：６６—６８． Ｅ４－１程熊豪．槽轮机构创新设计及应用研究［Ｊ］．企业技 术开发月刊，２０１５（２）：１１－１３． ［５］张越今，宋健，张云清．多体系统动力学分析的两大 软件ＡＤＡＭＳ和ＤＡＤＳＥＪ］．汽车技术，１９９７，１３（３）： １６—２Ｏ． ［６］ 张越今，宋健．多体动力学仿真软件ＡＤＡＭＳ理论及 应用研讨［Ｊ］．机械科学与技术，１９９７，１６（５）：７５３— ７５８． Ｅ７］张爱莲，陈书剑．ＡＤＡＭＳ柔性体建模技术研究［Ｊ］． 煤矿机械，２０１１（６）：９５—９７． ［８］方子舟，舒刚．齿轮传动多体接触动力学模型Ｉ－Ｊ］．机 械传动，２００９，３３（１）：１５—１８． １－９］埃伯哈德．现代接触动力学［Ｍ］．南京：东南大学出 版社，２００３．
